2021年8月11日山西云冈ML 3.0地震事件类型研究

张 玲 李 丽

1）中国太原 030021 山西省地震局

2）中国山西 030025 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站

0 引言

山西是地震多发省份，平均每年记录0级以上地震约2000次，其中ML≥2.7地震有30余次，且多分布在断陷盆地内部，两侧山区较少。目前，山西测震台网日常工作要求对辖区内发生的ML≥2.7地震，要求在极短时间内进行速报，并对地震类型快速作出判决。由于山西地区构造复杂，矿产丰富，采空区多有分布，在实际工作中，常遇到地震波形复杂的情况，造成了对地震事件类型的识别需要花费大量时间且难以保证其准确性的困境，值班人员混淆地震事件类型的情况时有发生。因此，地震事件类型的准确识别已成为目前地震监测工作中面临的重要问题之一。

2021年8月11日10时51分在山西省北部的大同市云冈区发生一次ML3.0地震事件（40.02°N，112.93°E），据近台波形记录特征分析，疑似爆破事件。后发现此次地震事件既具有非天然地震事件特征，又与天然地震相似，事件类型复杂。山西地震台网工作人员通过对该地震事件波形进行分析和对比，确定此次事件为矿山诱发地震。

研究表明，仅通过地震波形特征识别无法准确判定复杂地震事件类型（殷伟伟等，2021）。因此，通过震相统计、频谱分析、时频特征、震源机制等方法对地震事件类型进行广泛研究，在地震事件类型识别中取得较好效果（林怀存等，1990；赵永等，1995；张萍等，2001；黄汉明等，2010；刘莎等，2012；靳玉贞等，2015；马丽，2020；陈晓龙等，2021；郑亚迪等，2022）。鉴于2021年8月11日山西云冈ML3.0地震事件类型判定存在一定争议，本文通过波形特征、震相统计、频谱分析、时频特征等进行深入分析，为今后复杂地震事件的类型判定提供参考。

1 区域地震活动背景

大同矿区位于山西北部口泉断裂的西侧，该矿区煤炭储量大，矿井数量多。随着开采深度逐渐增加，塌陷地震发生的频次和强度逐渐增多。据山西地震台网测定，2015—2023年共监测到该矿区附近发生ML≥2.5塌陷地震达70余次（图1），ML＜2.5塌陷地震几乎每日都有发生①根据山西省地震局矿震中心内部资料。由于这些塌陷地震主要集中在矿区附近，且其波形具有典型的塌陷地震的波形特征，故这些地震事件的类型较容易识别。

图1 2021年8月11日山西云冈ML 3.0地震震中位置Fig.1 The epicenter of Yungang ML 3.0 earthquake in Shanxi Province on August 11,2021

2021年8月11日10时51分在山西省大同市云冈区发生一次ML3.0地震事件（40.02°N，112.93°E）（图1），根据山西测震台网记录，上皇庄（SHZ）、镇川（ZCH）、右玉（YUY）3个近台记录波形存在明显的长周期面波，而远台记录波形与高频天然地震并无显著差异（图2）。此次地震震中位于山西北部的大同煤矿开采区，附近地质构造条件复杂，且采空区多有分布，因此该地震的复杂波形为事件类型的快速判定带来一定困难。

图2 2021年8月11日山西云冈ML 3.0地震事件波形Fig.2 Waveform of Yungang ML 3.0 earthquake in Shanxi Province on August 11,2021

2 地震事件特征分析

2.1 波形特征

不同类型地震事件（天然地震、爆破、塌陷）的震源机制、传播路径等具有明显的差异，因此不同事件具有不同的波形特征（赵永等，1995；Kiszely，2001；林伟等，2004；张萍等，2005；Allmann et al，2008；苏莉华等，2011；李发等，2012；靳玉贞等，2015；梁永烨等，2020），波形特征对比分析是目前判定地震事件类型的主要方法之一。

由2021年8月11日山西云冈ML3.0地震波形记录特征（图2，表1）可知，本次地震波形特征主要有：①震中距小于200 km的大部分台站，其记录的波形垂直向P波初动都有清晰尖锐的标识方向，有的向上有的向下，具有四象限分布特征；②震中距小于200 km的台站，其记录的波形绝大多数的P波段振幅小，S波段振幅大；随着震中距逐渐增大，S波发育表现出相对较弱的特征，振幅也变得较弱；③震中距约50 km的3个近台，上皇庄（SHZ）、镇川（ZCH）和右玉（YUY），其记录的波形在S波后存在短周期的瑞利面波，其余台站记录的波形未发现面波发育；④振幅衰减均表现出较慢的特征，有相对丰富的高频成分，波形较为复杂。

表1 山西云冈ML 3.0事件震相特征统计Table 1 Statisticsof seismic phase characteristics of Yungang ML 3.0 earthquake in Shanxi Province

2.2 时频特征

不同震源类型模式辐射的理论地震波谱不同，对不同事件类型进行时频特征对比分析，可以实现对天然地震、爆破和塌陷等事件类型的识别（郑秀芬等，2006；刘莎等，2012；郑建常等，2014）。S变换时频分析方法保留了每个频率的绝对相位特征，同时具有无损可逆性，可以更好地突出信号的局部特征，在地震波形时频分析中得到了较好的应用（Stockwell et al，1996；刘琦等，2011；李丽等，2018；张娜等，2022）。本文主要采用S变换时频分析方法对2021年8月11日山西云冈ML3.0地震进行分析研究。

震中距在50 km范围内的上皇庄（SHZ）、镇川（ZCH）和右玉（YUY）3个近台记录的事件波形能够依次清晰看到直达P、S波，S波振幅明显大于P波振幅，S波后存在周期较大的面波发育。分别对这3个台站的波形记录进行S变换时频分析，结果见图3。

图3 上皇庄（SHZ）、镇川（ZCH）和右玉（YUY）台垂直向波形及时频分布Fig.3 Waveform and time-frequency distribution of SHZ,ZCH and YUY stations on vertical direction

由图3可见，云冈ML3.0地震事件的高频成分丰富，能量随频率和时间展布范围较宽。震中距约为30 km的上皇庄（SHZ）台记录的波形频率主要在40 Hz以内，高、低频均有分布，能量集中在S波段，优势频段（主频）集中在5—30 Hz。随着时间的持续，高频成分逐渐减小，在S波后的面波会出现1—2组波群，振幅呈现逐渐增大、后逐渐减小的特征，能量优势频段集中在1 Hz。镇川（ZCH）和右玉（YUY）台也记录到类似现象。此外，右玉（YUY）台较其他2个台站的震中距要远，长周期面波出现的时间较晚，且持续时间较长，但面波能量优势频段仍然集中在1 Hz，可见长周期面波能量随时间衰减较慢。而震中距大于50 km的凉城（LCH）和雁门关（YMG）台记录的波形时频分析结果显示，未出现明显的低频面波信号，频带范围主要集中在3—20 Hz，高频成分和优势能量主要集中在S波段（图4）。

图4 凉城（LCH）和雁门关（YMG）台垂直向波形及时频分布Fig.4 Waveform and time-frequency distribution of LCH and YMG stations on vertical direction

3 对比分析

尽管2021年8月11日山西云冈ML3.0地震发生在山西大同煤矿开采区内部，上皇庄（SHZ）、镇川（ZCH）和右玉（YUY）3个近台的波形记录中出现清晰的短周期瑞利面波，符合塌陷、爆破等非天然地震震源较浅、面波发育的特征（赵永等，1995；靳玉贞等，2015；张媛媛等，2020）。但塌陷、爆破等非天然地震随着震中距的增大，面波发育趋于明显，具有正频散特征，而本次地震除了上皇庄（SHZ）、镇川（ZCH）和右玉（YUY）3个近台能够观测到明显的面波发育外，其他台站的波形记录没有明显的短周期面波。此外，由于爆破和塌陷的震源机制、传播路径、震源深度等与天然地震不同，其波形在P波初动、P波与S波最大振幅比、持续时间等方面具有显著差异（周少辉等，2021）。爆破在垂直向的P波初动向上，无明显象限分布，P波初动振幅较大，P波与S波最大振幅比远大于天然地震，持续时间短、衰减快（赵永等，1995；林伟等，2004；王婷婷等，2013）。塌陷地震在垂直向的P波初动向下，无明显象限分布，尾波持续时间长，在震中距＜50 km时，S波与P波最大振幅比远大于天然地震（赵永等，1995；张媛媛等，2020；周少辉等，2021）。从垂直向P波初动方向、P波与S波最大振幅比、持续时间等信息统计结果（图2，表1）来看，本次地震明显区别于塌陷、爆破等非天然地震，具有天然地震的波形特征。

此外，塌陷和爆破等非天然地震的时频特征与天然地震明显不同。非天然地震发生位置较浅，地震波经过比较松散的地层，高频成分往往被吸收较多，与天然地震具有清楚的脉动和高频特点不同，其频率较低（Kiszely，2001；唐兰兰等，2009；刘莎等，2012）。特别是塌陷事件的频率，低于同等震级的天然地震和爆破事件，其优势频率约1 Hz（赵永等，1995）。在对本次地震事件波形的时频分析中，P、S波段高频成分丰富，地震频带范围较宽，且有面波发育的台站波形呈现低频、周期较大的特征，能量优势频段集中在1 Hz左右，与山西地区塌陷地震的时频特征比较一致（李丽等，2018；张娜等，2022）。

由于本次地震位于大同矿区，震中附近地质条件复杂，采空区多有分布，故本次地震波形复杂。近台面波发育的原因可能是，本次地震是发生在大同矿区下方的一次天然地震，地震发生时瞬间释放的能量，使得震中附近不稳定的矿区应力环境发生改变，造成矿井顶部高应力区的岩体发生陷落，释放了一定能量。根据不同台站记录的本次地震事件波形特征：震中距小于50 km的台站能够记录到明显的短周期面波信号，震中距大于50 km的台站的波形记录短周期面波信号不明显，认为本次地震触发的塌陷事件能量较小。此外，根据波形记录可以看出，本次地震和塌陷事件发生的位置相近，因此近台记录表现了非天然地震的面波发育特征。因此，对于这类“非典型”波形事件，在日常地震分析工作中仅仅参考近台的波形信息还不能准确判断地震事件类型，需要对不同台站波形进行分析；同时对这类事件进行总结分析，积累波形分析经验，以便实现快速、准确识别地震事件类型的工作要求。

4 结论与讨论

针对2021年8月11日山西云冈ML3.0地震事件类型存在的一些不确定性问题，通过波形特征研究、时频分析以及不同事件类型的对比分析，得到如下认识：

（1）根据不同台站的波形记录，本次地震垂直向P波初动方向清晰，呈象限分布；绝大多数的P波段振幅小于S波段；高频成分丰富，振幅波动衰减较慢，与天然地震的波形特征一致性较好。二者主要差别在于震中距50 km范围内的3个近台记录到本次地震波形明显的短周期面波发育，具有爆破、塌陷等浅源地震的波形特征。

（2）S变换时频分析结果显示，本次地震高频成分丰富，频带范围较宽，表现为天然地震的频谱特征；3个近台记录面波部分具有频率较低、周期较大的特征，能量优势频段集中在1 Hz左右，与塌陷地震时频特征较一致。

（3）对比爆破、塌陷等非天然地震波形和频谱特征，判定本次地震是一次发生在大同矿区的天然地震。该地震同时引发了浅层煤层开采区内高应力集中的矿井顶部岩体发生塌陷，而塌陷事件释放的能量有限，造成了震中距较近的台站记录到清晰的周期较大的面波信号。2 种不同事件类型的波形叠加在一起，呈现出本次地震事件复杂的波形特征。

（4）要判定发生在特定区域、波形复杂的地震事件的类型，需综合不同台站记录波形进行分析，必要时采取其他技术手段，如时频分析、模式识别、震源机制等，进行深入研究，还可以对比不同事件类型的特征进行综合研判。